Caracterização da pluma de fogo modelo

Antes de detalhar a pluma de fogo, apresentar-se-á, primeiramente, seu conceito cientifíco. QUINTIERE (1998) define bem sucintamente:” é a coluna de fluido na qual se tem os produtos da combustão (i.e., partículas sólidas, fumaça e gases tóxicos), originada a partir da chama desenvolvida na superfície do pacote combustível em queima”. Fundamentando-se na conceituação da Sociedade dos Engenheiros de Proteção contra Incêndios (SFPE – Society Fire Protection Engineers), de 1995, a pluma de fogo é considerada a corrente de fluido, geralmente em regime turbulento (exceto, quando o pacote combustível tem dimensões muito pequenas), proveniente da combustão do pacote combustível. Segundo, ainda, a SFPE, o entendimento da pluma de fogo é de fundamental importância, no que se refere à segurança contra incêndios em edificações, pois, ao se iniciar o incêndio, a partir da ignição de um pacote combustível, ela se desenvolverá, podendo culminar ou não na ocorrência do fenômeno do

flashover (vide figura 1.4). ZUKOSKI (1995) afirma que pluma de fogo é o processo de fluxo

ascendente dentro de uma região de combustão em chamas. ZUKOSKI (1995) ainda considera que: “a pluma de fogo consiste num processo extremamente complexo, pois depende muito da taxa de calor liberado dentro da chama, a qual nós ainda não podemos descrever de forma verossímil”. BUCHANAN (2002) define a pluma de fogo como o fluido desenvolvido, a partir da queima de um pacote combustível, que proporciona o transporte, por meio de transferência de calor do tipo convectiva, dos produtos da combustão até o teto do ambiente. KARLSSON&QUINTIERE (2000) dão a seguinte definição: “acima do pacote combustível, do qual se inicia o incêndio no ambiente, ocorre um mistura de gases (i.e., os gases quentes provenientes da combustão do pacote combustível e dos gases frios provenientes da circulação do ar no ambiente). Essa mistura tende a se propagar pelo ambiente regida por um fluxo ascendente. Este e incluindo a chama que está também se desenvolvendo a partir da combustão do pacote combustível, são referidos como pluma de fogo” (vide figura 1.5).

Portanto, percebe-se que a pluma de fogo se constitui num aspecto muito importante e determinante quando se analisa o risco de vida dos ocupantes durante incêndios em edificações. Além do mais, ela antecede o flashover.

Logo, entender o comportamento da pluma de fogo é algo que se deve buscar, tendo em vista sua ligação direta com a ocorrência do flashover. Isto porque, como já mencionado na seção 1.2, o acúmulo de gases aquecidos no teto é um sub-evento que se constitui num critério para a ocorrência do flashover. Sendo assim, quanto mais rápida for o desenvolvimento da pluma de fogo, em menos tempo o flashover ocorrerá. A figura 3.6 ilustra esse processo.

Este trabalho, irá se fundamentar no tipo de pluma de fogo mais comummente usada em engenharia de incêndios: pluma ascendente simétrica no eixo (i.e., buoyant axissymmetric

plume). Tal pluma de fogo é desenvolvida a partir da difusão da chama gerada acima da

superfície do pacote combustível em queima.

Sendo assim assume-se que, em tal pluma, existe um eixo de simetria ao longo de uma linha vertical localizado no centro da pluma. Basicamente, em termos gráficos, a propagação de uma pluma de fogo seria algo como descreve a figura 3.7.

Figura 3.7. Esquema de uma pluma de fogo ascendente simétrica no eixo

Onde, tem-se que: z = altura da pluma (m); b = raio da pluma (m);

m = fluxo de massa desprendido a partir da combustão do pacote combustível (kg/s); v = velocidade horizontal do ar que entra na pluma (m/s);

u = velocidade ascendente da pluma (m/s).

v

u

Pode-se observar na figura 3.7 que os parâmetros z e b, altura e raio da pluma, respectivamente, indicam o desenvolvimento da pluma e conseqüentemente, servem como indicadores de seu comportamento. As setas localizadas nas laterais da pluma indicam a massa de ar que entra na pluma a uma velocidade v (em m/s).

A pluma ascendente simétrica no eixo é convencionalmente dividida, na sua base, em três regiões, como está mostrado na figura 3.8 sugerida por McCAFFREY (1995). Na região de chama contínua, a velocidade ascendente do fluxo é aproximadamente nula quando próxima da superfície do pacote combustível e aumenta com a altura, ou seja, à proporção que se distancia da superfície do pacote combustível. Na região de chama intermitente, a velocidade ascendente é relativamente constante. Na última, a velocidade começa a descrescer com a altura.

Figura 3.8. Desenho esquemático de uma pluma de fumaça

Chama contínua Chama intermitente Pluma sem a chama

Algumas considerações a respeito da pluma de fogo ideal devem ser destacadas:

a) assume-se que a energia emanada do pacote combustível é toda transferida para a pluma, ou seja, não há perdas de calor neste sistema (i.e., o sistema está em estado permanente);

b) assume-se que as variações de densidade durante todo o desenvolvimento da pluma (i.e., à medida que a altura da pluma está aumentando) são muito pequenas;

c) assume-se que a pluma possui a forma volumétrica de um cone;

d) assume-se que a velocidade ascendente da pluma (u) é constante numa seção transversal qualquer a uma altura (z) e ao longo do raio (b) da pluma e que u = 0 fora do raio da pluma;

e) assume-se que a velocidade do ar que entra na pluma (v) é proporcional à velocidade dos gases na pluma (i.e., a velocidade ascendente da pluma – u). Essa relação é definida pela expressão: v = γ.u, onde γ denota uma constante. O valor dessa constante, denominada de “coeficiente de entrada” é 0,15, de acordo com KARLSSON&QUINTIERE (2000). Isto significa dizer que o valor da velocidade do ar que entra na pluma de fogo é 15% do valor da velocidade ascendente da pluma. Define- se, portanto, a equação 3.2:

v = 0,15.u (e.q 3.2)

Uma outra consideração ainda a ser feita é com relação ao valor da velocidade ascendente da pluma, a qual varia com a altura da pluma. Na região onde a chama é contínua, o seu valor é próximo de zero, como explanado anteriormente. E acima das chamas, seu valor começa a decrescer com a altura da pluma, em virtude de mais massa de ar que entra na pluma, o que a resfria a mesma.

Pode-se observar que o comportamento da pluma de fogo tem uma ligação direta com a quantidade de ar circulando pelo ambiente. Com outras palavras, pode-se afirmar que o comportamento da pluma de fogo sofre uma forte influência da ventilação. Portanto, os parâmetros que definem o comportamento da pluma (i.e., u, v, b) terão seus valores modificados também pela massa de ar que entra no ambiente. A figura 3.9 mostra claramente uma pluma de fogo.